Kansalaistieteen avulla löytyi uusi revontuli-ilmiö

Juuri julkaistussa tutkimuksessa dyynin synty jäljitetään ”aaltokanavaan”, joka syntyy ilmakehän tietyn kerroksen mesosfäärin ja sen rajan eli mesopaussin yhteyteen. Tutkimuksessa myös ehdotetaan, että uuden revontulimuodon avulla pystytään tutkimaan yläilmakehän olosuhteita uudella tavalla.

Tutkimus julkaistiin korkean vaikuttavuuden AGU Advances -lehden ensimmäisessä numerossa.

Tuntematon sormenjälki ilmestyy taivaalle

Auringosta virtaa tasainen varauksellisten hiukkasten virta, aurinkotuuli. Saavuttaessaan ionisoituneen ilmakehän osan, eli ionosfäärin, ne synnyttävät revontulia, kun ne virittävät happi- ja typpiatomeita korkeampaan energiatilaan, joka purkautuu revontulivalona.

Laskennallisen avaruusfysiikan professori Minna Palmroth vetää Helsingin yliopistossa kestävän avaruustieteen ja –tekniikan tutkimusryhmää, joka on kehittänyt maailman tarkinta mallinnusmenetelmää lähiavaruuden ja revontulia aiheuttavan avaruussään mallintamiseen.

Syksyllä 2018 Palmroth oli juuri julkaissut kirjan ”Revontulibongarin opas”. Kirja oli syntynyt yhdessä revontuliharrastajien kanssa, jatkumona Palmrothin revontulien fysiikkaa koskeviin vastauksiin Revontulikyttääjät-nimisessä Facebook-ryhmässä.

Kirjaa varten oli käyty läpi ja luokiteltu tuhansia harrastajien ottamia upeita revontulikuvia. Kukin revontulimuoto on kuin sormenjälki, tyypillinen juuri tietylle revontulivyöhykkeen fysikaaliselle tapahtumalle.  Harrastajat huomauttivat jo luokittelussa, että eräälle revontulimuodolle ei löytynyt sopivaa kategoriaa. Niinpä Palmroth jätti nämä epätavalliset muodot myöhempää ajankohtaa varten.

Lähes uskomaton yhteensattuma tapahtui, kun pari päivää kirjan julkaisemisen jälkeen kirjan työryhmässä mukana olleet revontuliharrastajat sattuivat näkemään tämän itselleen jo tutun revontulimuodon. Harrastajat ilmoittivat siitä välittömästi Palmrothille. Revontulissa näkyi vihertävä, tasainen aaltokuvio, kuin raidallinen pilviharso tai dyynit hiekkarannalla.

– Yksi yhteisen tutkimustyön ikimuistoisimpia hetkiä oli, kun ilmiö tuli tuolloin näkyviin ja pääsimme reaaliajassa sen kimppuun, tähtitieteen harrastaja Matti Helin kuvailee.

Revontulien valaisemia aaltoja

Alkoi ilmiön selvitystyö, jossa harrastajien tekemät havainnot ja tieteelliset menetelmät linkittyivät vuorotellen. Helinin sanoin projekti oli kuin palapelin kokoamista tai salapoliisityötä.

– Joka päivä löytyi uusia kuvia, uusia ideoita. Ja lopulta ilmiö avautui, hän kertoo.

Ilmiö kuvattiin samaan aikaan sekä Laitilasta että Ruovedeltä, ja molemmissa kuvissa revontulimuodossa havaittiin sama yksityiskohta. Maxime Grandin, tutkijatohtori Palmrothin ryhmästä tunnisti tähdet muodon takaa, ja niiden suunta ja korkeus saatiin selville planetaario-ohjelman avulla.  Tämän jälkeen tähtiä voitiin käyttää viitepisteinä ilmiön korkeuden ja laajuuden laskemisessa.

Grandin laski, että revontulidyynit ovat melko matalalla, noin sadan kilometrin korkeudessa mesosfäärin yläosassa. Aaltokentän aallonpituudeksi saatiin 45 kilometriä.

Vastaavia tapahtumia, joissa kamera oli tallentanut saman tasaisen aaltokuvion, löytyi Ursan ylläpitämästä Taivaanvahti-havaintotietokannasta seitsemän.

Tuntemattomin alue

Se revontulivyöhykkeen osa, missä maan sähköisesti neutraali ilmakehä kohtaa avaruuden alaosan, on laitteille ja satelliiteille erittäin haastava ympäristö. Siksi se onkin Palmrothin mukaan yksi planeettamme vähiten tutkituista paikoista.

– Joskus tätä aluetta noin 80:n ja 120 kilometrin välisellä korkeudella kutsutaan ignorosfääriksi, koska siellä esiintyviä ilmakehän ilmiöitä on niin vaikea mitata, Palmroth toteaa.

Dyynit näkyivät juuri tuolla revontulivyöhykkeen alueella. Ilmiö vei tutkijat ilmakehä- ja avaruustutkimuksen välimaastoon, sillä ilmiötä ei pystytty selittämään pelkin tutuin avaruusfysiikan tutkimiskeinoin.

– Dyynin laineitten valoisuuserot saattoivat johtua joko aaltoilusta ionosfääriin satavien elektronien vuossa tai ilmakehän happiatomien tihentymistä, Palmroth kuvaa. – Kallistuimme ehdottamaan, että dyynit johtuvat happiatomien tihentymistä.

Seuraavaksi piti selvittää, miten ilmakehän painovoima-aalloista johtuvat happiatomien tihentymät ja harventumat muodostavat niin tasaisen ja laajalle levinneen aaltokentän. Normaalisti tuolla korkeudella on monenlaisia eri suuntiin ja eri aallonpituudella kulkevia painovoima-aaltoja, eivätkä ne siksi helposti muodosta dyynien kaltaista tasaista aaltokenttää.

Revontuli valaisee vuoksiaallon

Tutkimus ehdottaa, että kyse on mesosfäärissä tapahtuvasta harvinaisesta ja vähän tutkitusta ilmiöstä, happiatomien vuoksiaallosta, jota kutsutaan englanniksi termillä ”mesospheric bore”.

Vuoksi-ilmiön aiheuttama aalto ”bore” on yleinen monissa joissa, missä vuorovesi nousee joen muodostamaa kanavaa pitkin. Suomessa ilmiötä ei havaita, ja siksi tällaisille aalloille ei ole kehittynyt hyvää suomenkielistä vastinetta.

Ilmakehässä on erilaisia painovoima-aaltoja, jotka nousevat ylöspäin. Hyvin harvinaisissa tapauksissa painovoima-aalto suodattuu noustessaan mesopaussin ja sen alapuolelle satunnaisesti muodostuvan inversiokerroksen väliin. Tällöin tietyn aallonpituuden aallot taittuvat ja voivat kulkea aaltokanavassa pitkiä matkoja vaimentumatta.

Kun vuoksiaaltojen happiatomit joutuvat ilmakehään satavien elektronien tielle, aaltojen happiatomit virittyvät ja virityksen purkautuessa päästävät revontulivaloa. Niinpä mesosfäärin vuoksiaallot, joita on pidetty erittäin vaikeasti tutkittavana ilmiönä, voikin joskus nähdä jopa paljain silmin.

Avaruuden tutkijat ilmakehän kimpussa

Vuoksiaaltoa ei ole aiemmin havaittu revontulialueella, eikä näitä aaltoja ole tutkittu revontulien avulla.

– Itse asiassa koko revontulialue on yleensä poistettu aaltotutkimuksista, koska revontulet häiritsevät mesosfäärin vuoksiaaltojen tunnistusmenetelmää, Palmroth kertoo.

Perinteisesti ilmakehän ja avaruuden tutkijat ovat tutkineet kohteitaan melko erillään toisistaan, sillä elektronisateessa kylpevällä ionosfäärillä ja neutraalilla ilmakehällä on vain muutama tunnistettu vuorovaikutusmekanismi.

Ilmatieteen laitoksen mittalaiteiden avulla havaittiin dyynien esiintyvän samanaikaisesti ja samassa paikassa, kuin missä ylempää avaruudesta tullut sähkömagneettinen energia siirtyy ignorosfääriin.

– Tämä voisi tarkoittaa sitä, että avaruudesta ionosfääriin siirtyvä energia voi olla yhteydessä mesosfäärin aaltokanavan syntymiseen, Palmroth toteaa.

– Fysiikan kannalta löydös olisi järisyttävä, koska se olisi uusi ja ennen havaitsematon vuorovaikutusmekanismi ionosfäärin ja ilmakehän välillä.

Artikkeli

M. Palmroth, M. Grandin, M. Helin, P. Koski, A. Oksanen, M. A. Glad, R. Valonen, K. Saari, E. Bruus, J. Norberg, A. Viljanen, K.4 Kauristie, and P. T Verronen. Citizen scientists discover a new auroral form: Dunes provide insight into the upper atmosphere. AGU Advances 1, 1-12, xx.1.2020. https://doi.org/10.1002/aga2.20017

Yhteystiedot

professori Minna Palmroth, 050 311 1950, minna.palmroth@helsinki.fi, @MinnaPalmroth, Helsingin yliopisto ja Ilmatieteen laitos

tutkijatohtori Maxime Grandin, 040 675 3707, maxime.grandin@helsinki.fi, @Maxime_Grandin, Helsingin yliopisto

Tähtitieteen harrastaja Matti Helin, 044 359 0866, mjhelin@gmail.com